Вид с высоты

Первой машиной, которая превращала тепло в механическую работу в больших масштабах, был паровой двигатель, изобретенный в начале XVIII века Томасом Ньюкоменом. В конце века двигатель, усовершенствованный Джеймсом Уаттом, нашел практическое применение. Так как паровая машина производила работу путем перемещения энергии в форме тепла из горячего резервуара с паром в холодный резервуар с водой, то наука о взаимопревращениях энергии и работы была названа термодинамикой — от греческих слов, означающих «движение тепла». Закон сохранения энергии играет столь важную роль в устройствах типа паровой машины, что его часто называют Первым началом термодинамики.

Первое начало термодинамики говорит нам, что если резервуар с паром содержит некоторое количество энергии, то от паровой машины нельзя получить работы больше, чем допускает запас этой энергии. Это как будто справедливо; нельзя получить что-то за ничего.

Но, уж конечно, можно, скажете вы, получить всю работу из энергии, которая есть в паре, — по крайней мере если предположить, что устранены потери и трение.

Увы, нет. Постройте самую совершенную из всех возможных паровых машин, избавьтесь полностью от трения и потерь — все равно вам никогда не удастся превратить всю энергию в работу. В термодинамике не то что нельзя выиграть — нельзя даже получить свое.

Первым, кто недвусмысленно указал на это, был французский физик Сади Карно. В 1824 году он заявил, что часть тепловой энергии, которая может быть превращена в работу, даже при идеальных условиях зависит от разности температур горячего и холодного резервуаров. Он дал следующее уравнение:

Идеальная отдача = (Т₂ — Т₁)/Т₂;

здесь Т₂ — температура горячего резервуара, а Т₁ — температура холодного. Эта формула справедлива в абсолютной шкале температур. (О ней мы расскажем в главе 12.)

Если горячий резервуар имеет абсолютную температуру 400 градусов (127 градусов по шкале Цельсия), а холодный — абсолютную температуру 300 градусов (27 градусов по шкале Цельсия), то идеальная отдача будет равна ^(400–300)/₄₀₀, или просто 0,25. Другими словами, в работу может быть превращена в лучшем случае лишь четверть тепла, содержащегося в паре, тогда как три четверти его просто не используются.

Более того, имея только горячий резервуар и ничего более, — так что ему придется служить одновременно и холодным, — вы получите, согласно уравнению Карно, идеальную отдачу ^(400–400)/₄₀₀, то есть просто нуль. В паре много энергии, но ни единая часть ее не может быть превращена в работу, если в устройстве как-нибудь не предусмотрена разность температур.

Так же обстоит дело и с другими формами энергии; ситуация будет яснее, если взять пример более будничный, чем паровой двигатель. Большой камень, лежащий на краю обрыва, может произвести работу, если его переместить из положения с большой потенциальной энергией в поле силы тяжести в положение с меньшей потенциальной энергией, скажем на дно обрыва. Чем меньше разность потенциальных энергий (чем менее глубок обрыв), тем меньше работы может, падая, совершить камень. А если вообще обрыва нет, а есть просто плоскогорье, то камню некуда падать, совершая при этом работу, даже если плоскогорье находится на высоте 6000 метров над уровнем моря.

Следовательно, ни одно устройство не может извлечь работу из системы, которая целиком находится на одном энергетическом уровне.

Это один из способов сформулировать то, что называют Вторым началом термодинамики.

Устройство, предназначенное для того, чтобы извлечь работу при одном только энергетическом уровне, есть «вечный двигатель второго рода». По существу, почти все вечные двигатели, изобретаемые армией заблудших фантазеров Земли, относятся к этому типу. Так вот, патентные учреждения не станут тратить времени и на такие проекты.

Как только появляются два энергетических уровня, энергия тотчас начинает перетекать с одного уровня (мы зовем его верхним) на другой (мы зовем его нижним), но никогда — в обратном направлении (если только не перекачивать ее силой). Человечество уже давно свыклось с этим фактом. Другими словами, тепло самопроизвольно переходит от горячего тела к холодному; валун сам скатывается с края обрыва к его дну, электрический ток самопроизвольно течет от катода к аноду.

Сказать: «Поток энергии всегда направлен от высокого потенциального уровня к низкому потенциальному уровню» — это значит лишь другими словами выразить Второе начало термодинамики. (Можно доказать, что из единственности направления потока энергии — от высокого к низкому — неизбежно следует тот факт, что невозможно извлечь работу из системы с одним уровнем энергии и наоборот, так что и то и другое — полноправные способы формулировать Второе начало.)

* * *